一种灵敏度可调的柔性压力传感器及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种灵敏度可调的柔性压力传感器及其制备方法和应用 (Flexible pressure sensor with adjustable sensitivity and preparation method and application thereof ) 是由 应义斌 彭博 平建峰 于 2021-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种灵敏度可调的柔性压力传感器及其制备方法和应用。方法包括以下步骤：制备得到碳化钛纳米片分散液；将海绵浸泡在碳化钛纳米片分散液中,并真空干燥,得到第一状态的导电海绵；将第一状态的导电海绵浸入硝酸银溶液中,并真空干燥,得到第二状态的导电海绵；利用激光诱导技术在聚酰亚胺薄膜上制备叉指电极；将第二状态的导电海绵粘贴在叉指电极上,使导电海绵与叉指电极接触,然后将导线连接于叉指电极的两端,得到灵敏度可调的柔性压力传感器。本发明制备的柔性压力传感器成本较低,制备过程简单,且灵敏度可调,能适应不同场合检测的需求。(The invention discloses a flexible pressure sensor with adjustable sensitivity and a preparation method and application thereof. The method comprises the following steps: preparing titanium carbide nanosheet dispersion liquid; soaking sponge in titanium carbide nanosheet dispersion liquid, and drying in vacuum to obtain conductive sponge in a first state; immersing the conductive sponge in the first state into a silver nitrate solution, and performing vacuum drying to obtain the conductive sponge in the second state; preparing an interdigital electrode on a polyimide film by using a laser induction technology; and pasting the conductive sponge in the second state on the interdigital electrode to enable the conductive sponge to be in contact with the interdigital electrode, and then connecting the lead to two ends of the interdigital electrode to obtain the flexible pressure sensor with adjustable sensitivity. The flexible pressure sensor prepared by the invention has the advantages of low cost, simple preparation process and adjustable sensitivity, and can meet the detection requirements of different occasions.)
技术领域
本发明涉及生物传感器技术领域，尤其涉及一种灵敏度可调的柔性压力传感器及其制备方法和应用。
背景技术
柔性压力传感器近年被广泛运用于人体关节活动，软体机器人等领域。柔性压力传感器主要包括压阻式，压电式以及压容式三种类型。在外界压力作用下，活性功能材料的电性质发生变化，从而使得传感器的电信号(电阻，电容或电压)的输出发生改变。建立电信号的输出与外界压力之间的线性关系，可测得外界压力的大小。早期的柔性压力传感器的基底材料多为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚酰亚胺(PI)等聚合物，而活性功能材料与导电材料则通过各种方法转移到基底材料表面，形成平面结构。近年来，高检测精度，高灵敏度的检测要求对柔性压力传感器的结构与材料提出了更高的要求。
在众多结构中，三维多孔结构的柔性压力传感器近年来被广泛研究。相较于传统结构，三维多孔结构具有相对较低的压缩模量，从而使其在较低的外界压力下获得较大的形变。在压阻式传感器中，三维多孔结构的材料的表面被修饰上导电材料而赋予导电性。当其被压缩时，导电材料之间发生相互接触，从而使得导电通路的数量增加，传感器的电阻减小。常用的制备三维多孔结构的传感器的方法主要有冻干结合高温退火法，模板法等。以上这些方法操作繁琐费时，得到的传感器的性能无法适合多种测试场合的需求。因此，开发一种制备步骤简单，性能多样化的柔性压力传感器十分有必要。
发明内容
针对现有柔性压力传感器制备过程繁琐，仅能满足单一检测需求等特点，本发明提供了一种海绵结构的灵敏度可调的柔性压力传感器，采用该方法制备的柔性压力传感器，制备过程简单，且灵敏度可调，能适应不同场合检测的需求。
本发明提供了如下技术方案：
一、一种灵敏度可调的柔性压力传感器的制备方法
包括以下步骤：
步骤S1：将碳化钛(Ti3C2)纳米片分散在水中制备得到碳化钛纳米片分散液；
步骤S1，具体方法如下：
(1-1)向10mL 9mol/L的浓盐酸中加入0.8g LiF，得到LiF/HCl混合溶液。随后，向混合溶液中缓慢加入0.5g Ti3AlC2粉末，50℃下搅拌48h。
(1-2)将上述溶液用去离子水洗涤数次，直至溶液pH>6。随后在3500r/min下离心3min，取沉淀。
(1-3)沉淀加入适量去离子水，冰浴下超声1小时。随后在8000r/min下离心1h，取上清液，得到碳化钛纳米片分散液，调节浓度至4mg/mL。
步骤S2：将海绵浸入步骤S1中得到的碳化钛纳米片分散液中，然后进行真空干燥，得到第一状态的导电海绵；
步骤S3：将步骤S2得到的第一状态的导电海绵在硝酸银溶液中浸泡，然后真空干燥，得到第二状态的导电海绵；
步骤S4：利用激光诱导的方法在聚酰亚胺薄膜上刻蚀出叉指电极；
步骤S5：将步骤S3中得到的第二状态的导电海绵贴附于步骤S4中得到的叉指电极上，使导电海绵与叉指电极接触，然后将导线连接于叉指电极的两端，即制备得到灵敏度可调的柔性压力传感器。
步骤S1中，采用液相剥离法剥离得到碳化钛纳米片分散液，碳化钛纳米片分散液的浓度为4mg/mL。
步骤S2具体为：将尺寸为10×10×2mm的海绵浸入碳化钛纳米片分散液中，于温度为4℃下静置1～6h，然后于温度为60℃下真空干燥60min，得到第一状态的导电海绵。
步骤S2中，碳化钛纳米片吸附于海绵表面。当浸泡时间过短时，导电性不佳，浸泡时间达到一定值时，碳化钛吸附量达到饱和，此时第一状态的导电海绵的导电性达到稳定。
步骤S3中，硝酸银溶液的浓度为0.5～5mmol/L，真空干燥的时间为90min，温度为60℃。
步骤S3中，第一状态的导电海绵在硝酸银溶液中的浸泡时间为1～5s。第一状态的导电海绵浸泡在硝酸银溶液中的时间不同，生成不同的银纳米颗粒的数量，从而得到不同灵敏度的传感器。
步骤S3中，将第一状态的导电海绵浸入硝酸银溶液后，碳化钛纳米片将溶液中的银离子还原成银纳米颗粒。通过控制硝酸银溶液的浓度以及浸泡时间，可控制银纳米颗粒的生成数量。
步骤S3中硝酸银溶液的浓度为1mmol/L；进一步优选的，当对人体关节运动进行监测时，浸泡时间为1s。当对人体脉搏进行监测时，浸泡时间为3s。当对番茄果实生长进行监测时，浸泡时间为1s。
步骤S4中，聚酰亚胺薄膜的厚度为130μm，激光诱导中，激光的功率为4W，刻蚀的速度为3cm/s。
二、灵敏度可调的柔性压力传感器的应用
在监测人体关节运动、脉搏以及农作物果实生长中的应用。
本发明中，当海绵表面吸附了碳化钛纳米片后，赋予了海绵导电性。当海绵受到一定的外界压力被压缩时，碳化钛纳米片相互接触，从而使得导电通路增加。在此过程中，导电海绵与叉指电极之间也出现了更多的导电通路，从而使得电阻减小。当外力继续增加时，导电通路的数量不再增加，保持稳定，电阻不再下降。当第一状态的导电海绵浸泡在硝酸银溶液中时，碳化钛纳米片所具有的还原性使得溶液中的银离子被还原成银纳米颗粒，分布在导电海绵表面，从而增加了导电海绵表面的粗糙度。在较小的外力作用下，银纳米颗粒之间的接触能形成更多的导电通路，从而提升传感器的灵敏度。银纳米颗粒数量越多，灵敏度越高。本发明利用这种性质，构建了由银纳米颗粒调节导电海绵粗糙程度，从而得到灵敏度不同的柔性压力传感器，实现对人体关节运动，脉搏，果实生长等不同应用场景的监测。
本发明的柔性压力传感器的作用原理是：当第一状态的导电海绵浸泡在硝酸银溶液中时，碳化钛纳米片所具有的还原性使得溶液中的银离子被还原成银纳米颗粒，分布在导电海绵表面，从而增加了导电海绵表面的粗糙度。在较小的外力作用下，银纳米颗粒之间的接触能形成更多的导电通路，从而提升传感器的灵敏度。银纳米颗粒数量越多，灵敏度越高。电阻的相对变化率与外界压力呈现出线性关系。根据相对电阻变化率可计算外界压力的大小。
本发明的有益效果为：
本发明利用这种性质，构建了由银纳米颗粒调节导电海绵粗糙程度，从而得到灵敏度不同的柔性压力传感器，实现对人体关节运动，脉搏，果实生长等不同应用场景的监测，本发明制备的柔性压力传感器监测上述指标的成本较低，制备过程简单，且灵敏度可调，能适应不同场合检测的需求。
附图说明
图1为海绵浸泡后的电阻随浸泡时间的变化图；
图2为由第二状态的导电海绵(不同硝酸银溶液的浓度)制备而成的柔性压力传感器的电阻变化率随压力的变化曲线图；
图3为由第二状态的导电海绵(硝酸银溶液中不同浸泡时间)制备而成的柔性压力传感器的电阻变化率随压力的变化曲线图
图4为由第二状态的导电海绵制备而成的柔性压力传感器监测膝盖弯曲时的电阻变化率曲线图；
图5为由第二状态的导电海绵制备而成的柔性压力传感器监测脉搏跳动时的电阻变化率曲线图；
图6为由第二状态的导电海绵制备而成的柔性压力传感器监测番茄果实生长时的电阻变化率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1
步骤S1：采用液相剥离法剥离制备得到碳化钛纳米片分散液，具体方法如下：
1)向10mL 9mol/L的浓盐酸中加入0.8g氟化锂(LiF)，得到氟化锂/盐酸(LiF/HCl)混合溶液，随后，向氟化锂/盐酸混合溶液中缓慢加入0.5g钛碳化铝(Ti3AlC2)粉末，于50℃下搅拌48h。
2)将上述溶液用去离子水洗涤数次，直至溶液pH>6，随后在3500r/min下离心3min，并取沉淀。
3)向沉淀中加入适量去离子水，冰浴下超声1小时，随后在8000r/min下离心1h，取上清液，得到碳化钛纳米片分散液，调节浓度至4mg/mL。
步骤S2：将尺寸为10mm×10mm×2mm的海绵浸入碳化钛纳米片分散液中，于温度为4℃下浸泡不同的时间后取出，然后于温度为60℃的真空干燥箱中真空干燥60min，干燥后得到第一状态的导电海绵，将第一状态的导电海绵从真空干燥箱中取出并测定海绵的对角线上的两点间的电阻。分别测定浸泡时间为1、2、3、4、5、6h的导电海绵的电阻如图1所示。可以看出，在浸泡初期，随着浸泡时间的延长，第一状态的导电海绵的电阻呈现出下降的趋势，说明在此过程中，碳化钛纳米片不断被吸附在海绵表面。当浸泡时间达到4h时，碳化钛纳米片的吸附量达到饱和，浸泡时间更长时，导电海绵的电阻达到稳定状态，不再减小。故优选海绵的浸泡时间为4h。
步骤S3：取步骤S2中制备的第一状态的导电海绵，完全浸入浓度为0.5mmol/L的硝酸银溶液中，浸泡时间为3s，取出后于60℃下真空干燥90min，得到第二状态的导电海绵。
步骤S4：利用激光诱导的方法在聚酰亚胺薄膜上刻蚀出叉指电极，聚酰亚胺薄膜的厚度为130μm，激光的功率为4W，刻蚀的速度为3cm/s。
步骤S5：将步骤S3得到的第二状态的导电海绵贴附在步骤S4中的叉指电极上，使导电海绵与叉指电极接触，然后将导线连接于叉指电极的两端，即制备得到灵敏度可调的柔性压力传感器。
实施例2
实施例2的步骤与实施例1的步骤相同，其区别在于：
步骤S3中，硝酸银溶液的浓度为1mmol/L。
实施例3
实施例3的步骤与实施例1的步骤相同，其区别在于：
步骤S3中，硝酸银溶液的浓度为3mmol/L。
实施例4
实施例4的步骤与实施例1的步骤相同，其区别在于：
步骤S3中，硝酸银溶液的浓度为5mmol/L。
将实施例1-实施例4中得到的灵敏度可调的柔性压力传感器分别与万用表连接，记录灵敏度可调的柔性压力传感器的初始电阻，向灵敏度可调的柔性压力传感器施加一定的压力，记录施加压力后，灵敏度可调的柔性压力传感器的电阻值，并计算电阻变化率。(电阻变化量为施加压力后传感器的电阻与初始电阻的差值，电阻变化量与初始电阻之比为电阻变化率，)绘制电阻变化率随外界压力变化的标准曲线，可得传感器的灵敏度。第一状态的导电海绵浸泡在硝酸银溶液中，使其表面生成银纳米颗粒。硝酸银溶液的浓度不同，生成的银纳米颗粒的数量不同，得到的传感器的灵敏度也不同。结果如图2所示，随着硝酸银溶液浓度的增加，传感器灵敏度呈现增加的趋势。同时，随着硝酸银溶液浓度的增加，传感器检测的线性范围逐渐下降。综合灵敏度与线性范围两个指标，选用的硝酸银溶液浓度为1mmol/L。
实施例5
步骤S1：采用液相剥离法剥离制备得到碳化钛纳米片分散液，具体方法如下：
1)向10mL 9mol/L的浓盐酸中加入0.8g氟化锂(LiF)，得到氟化锂/盐酸(LiF/HCl)混合溶液，随后，向氟化锂/盐酸混合溶液中缓慢加入0.5g钛碳化铝(Ti3AlC2)粉末，于50℃下搅拌48h。
2)将上述溶液用去离子水洗涤数次，直至溶液pH>6，随后在3500r/min下离心3min，并取沉淀。
3)向沉淀中加入适量去离子水，冰浴下超声1小时，随后在8000r/min下离心1h，取上清液，得到碳化钛纳米片分散液，调节浓度至4mg/mL。
步骤S2：将尺寸为10mm×10mm×2mm的海绵浸入碳化钛纳米片分散液中，于温度为4℃下浸泡4h后取出，然后于温度为60℃的真空干燥箱中真空干燥60min，干燥后得到第一状态的导电海绵。
步骤S3：取步骤S2中制备的第一状态的导电海绵，完全浸入浓度为1mmol/L的硝酸银溶液中，浸泡时间为1s，取出后于60℃下真空干燥90min，得到第二状态的导电海绵。
步骤S4：利用激光诱导的方法在聚酰亚胺薄膜上刻蚀出叉指电极，聚酰亚胺薄膜的厚度为130μm，激光的功率为4W，刻蚀的速度为3cm/s。
步骤S5：将步骤S3得到的第二状态的导电海绵贴附在步骤S4中的叉指电极上，使导电海绵与叉指电极接触，然后将导线连接于叉指电极的两端，即制备得到灵敏度可调的柔性压力传感器。
实施例6
实施例6的步骤与实施例5的步骤相同，其区别在于：
步骤S3中，浸泡时间为3s。
实施例7
实施例7的步骤与实施例5的步骤相同，其区别在于：
步骤S3中，浸泡时间为5s。
将实施例5-实施例7制备得到的灵敏度可调的柔性压力传感器分别与万用表连接，记录灵敏度可调的柔性压力传感器的初始电阻，向灵敏度可调的柔性压力传感器施加一定的压力，记录施加压力后，灵敏度可调的柔性压力传感器的电阻值，并计算电阻变化率，绘制电阻变化率随外界压力变化的曲线，可得灵敏度可调的柔性压力传感器的灵敏度。在硝酸银溶液中的浸泡时间也能影响银纳米颗粒的生成数量，进而影响传感器的灵敏度。结果如图3所示。在本实施例中，第一状态的导电海绵在硝酸银溶液中的浸泡时间越长，得到的传感器灵敏度越高，但线性范围越窄。根据浸泡在硝酸银溶液中的时长，得到不同灵敏度的传感器，从而实现灵敏度可调的功能。
灵敏度可调的柔性压力传感器的应用：
1)在膝盖关节处的应用
将实施例5制备得到的灵敏度可调的柔性传感器粘贴在膝盖关节处，连接万用表，使膝盖自由弯曲或伸直，记录膝盖自由弯曲和伸直时的电阻变化，绘制电阻变化率随时间变化的曲线。
结果如图4所示。膝盖弯曲时，关节部位对传感器产生一定的压力，使得传感器电阻减小。膝盖伸直时，压力消失，传感器电阻恢复为初始电阻。
2)在手腕脉搏跳动处的应用
将实施例6制备得到的灵敏度可调的柔性传感器粘贴在手腕脉搏跳动处，连接万用表，记录电阻变化，绘制电阻变化率随时间变化的曲线。
脉搏的跳动给予传感器一定的压力，使得传感器电阻减小。结果如图5所示。需要指出的是，为了使电阻变化率曲线与脉搏波形相符合，图5中的纵坐标为电阻变化率的相反数。
3)在番茄果实表面的应用
将实施例5制备得到的灵敏度可调的柔性传感器粘贴在番茄果实表面，连接万用表，记录电阻变化，绘制电阻变化率随时间变化的曲线。
结果如图6所示。果实膨胀给予传感器一定的压力，使得传感器电阻减小。由此可反映果实的生长状态。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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